水泥窑处置废弃物中重金属的迁移行为研究进展

华南理工大学苏达根等人，通过室内模拟煅烧的方法，对水泥熟料煅烧过程中重金属Hg、Pb、Cd、Zn和Cu的逃逸行为进行了研究。结果表明：Hg及其化合物在300℃时绝大部分已挥发，水泥窑中Hg的逃逸率高达90%~96%。在实验电炉1400℃静烧的条件下，当Pb、Cd、Zn、Cu的掺量均为0.05%时，其逃逸率分别达到：Pb为94.50%，Cd为96.62%，Zn为43.61%，Cu为36.03%；研究还表明氟会促进Pb、Cd、Zn、Cu的逃逸[2]。
此外，他们的研究指出：Pb、Cd、Zn和Cu在不同类型水泥窑中，逃逸率有明显差别，立窑的逃逸率较高，Pb和Cd为84%~90%，Zn和Cu为36%~47%；湿法回转窑次之；新型干法窑的逃逸率最低。
中国建筑材料科学研究总院兰明章等人，通过掺加不同重金属含量的废弃物，室内模拟煅烧熟料，研究了金属元素在水泥熟料中的固化率。结果指出：重金属在实验室模拟煅烧条件下的固化率分别为：Cr83.8%、Co86.1%、Ni86.5%、Cu74.3%、Zn74.3%、Cd88.1%、Pb86.3%、As89.3%[3]。
武汉理工大学杨雷等人，也是通过实验室模拟锻烧熟料，得出重金属以1.0%掺量单掺时的固化率分别为：Mn81.2%、Cr67.3%、Co72.8%、Ni58.5%、Cu61.0%、Zn65.9%、Cd52.7%、Pb63.1%、As78.4%、V80.4%；混掺时的固化率分别为：Mn86.0%、Cr87.7%、Co91.4%、Ni89.5%、Cu80.9%、Zn81.1%、Cd75.l%、Pb79.6%、As88.3%、V87.6%。结果表明：单掺时不同重金属固化率不同，有的较高，有的较低，而复合掺加时互相影响，固化率均比单掺时有所提升。
郑州大学杨俊等人，通过掺加污泥烧制水泥，研究得出重金属在模拟锻烧条件下的固化率分别为：Cu为89.3%；Zn为88.0%；Pb为90.1%；Cr为93.9%。
由上述研究结果表明：即使都是室内模拟熟料煅烧，每个研究者的结果各不相同，部分元素的逃逸率（或固化率），差别较大；这是因为重金属并非以单质形态，而是以某种易挥发的化合物形态逃逸的。重金属在水泥熟料煅烧过程中形成化合物的特性将直接影响它们在熟料中的固化行为。这些易挥发化合物的生成与原燃料的组成，特别是原燃料中的碱和氯密切相关，重金属容易以挥发性氯化物和碱盐的形式挥发出来。同时，煅烧时的燃烧条件和燃烧气氛也对重金属易挥发化合物的形成有不同程度的影响。
重金属在实际生产中的逃逸率小于实验室模拟煅烧时的逃逸率。在实际生产中，不挥发的元素通过固相反应或经过液相形成熟料矿物相或者进入熟料矿物晶格内，少量挥发性元素则随烟气继续逃逸，在低温区冷凝下来，只有极少部分能以蒸汽状态或附着在微细粉尘上随烟气排出；此外，窑系统内有大量CaCO3、CaO和碱存在，形成一个高碱性气氛，有利于吸收废气中的酸性气体，降低某些元素的挥发性并提高其冷凝温度；水泥窑系统还有一套高效的除尘系统和（或）高温废气再利用的粉磨烘干系统，极有利于回收在高温区挥发的微量元素；这些都能提高重金属的吸收率。而实验室模拟煅烧条件下，高温炉中的气流是开放式的，挥发的重金属化合物直接排放，因此，实验室模拟煅烧时重金属的逃逸率偏大。
在实际生产中，由于Hg的逃逸率比较大，废弃物入窑时，需严格控制其中Hg的含量；不同的窑型，重金属的逃逸率各不相同，处理废弃物时需根据实际情况控制废弃物的添加；对于大部分重金属，随烟气排放至大气中的含量均很低，不会对环境造成危险。
此外，目前的研究主要集中于熟料对重金属的固化率，以此间接评价重金属在水泥熟料煅烧过程中的迁移行为；对于随窑灰排出的重金属部分，研究不多，人们对于窑灰中的重金属含量水平缺乏了解；而随烟气、粉尘带出进入大气的重金属部分，其迁移量很大程度上受除尘效率影响，因为有些重金属是随粉尘尤其是微细粉尘带出窑系统，若不收下来回到生产线便会造成污染，为此欧盟已经规定水泥窑协同处置废弃物时的粉尘排放浓度极限，而我国也尚缺乏该方面的研究。因此，应对上述问题进行试验研究，为我国制定相关规定提供依据。
3水泥产品使用过程中的浸出迁移行为
水泥产品在长期的使用过程中，由于风化、老化的影响，重金属会随着周边环境的变化而发生迁移，不可避免地会对周边环境安全性带来一定的影响，而影响的程度则是人们关心的主要内容。不同地区的研究者相继开展了大量的工作，研究内容涉及了水泥产品中重金属浸出性、浸出方法的系列问题，通过不同浸出方法的对比，在浸出机制，扩散及迁移，浸出动力学等方面均做了广泛的研究。
法国的Ligia Tiruta-Barna等研究了水泥基材料在不同浸出环境下的释放动力学过程，模拟和鉴定了在某一确定动力条件下的多孔材料的浸出行为。采用了四种不同的动力学浸出测试，提出了四种主要动力学过程：扩散、对流、后期分解和表面扩散。
法国的I.Serclerat，P.Moszkowic等人研究Pb、Zn、Cr、Cr6+在水泥熟料中的固化机理。结果表明：利用去离子水，对处理废弃物得到的水泥样品进行浸出试验，其重金属的浸出浓度非常低，通常低于现有仪器的检测下限[4]。而加大重金属掺量后的试验结果指出：Zn被固化在样品中几乎是不溶的；在pH＜12.5的浸取液中，Pb的浸出浓度也非常低。